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新聞動(dòng)態(tài)導航圖

一文帶你看懂5G和智能制造的關(guān)系

2019-04-033726

5G時(shí)代即將來(lái)臨,引爆了人們對未來(lái)變化的遐想。5G應用已經(jīng)成了熱門(mén)話(huà)題,如5G AR/VR、5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)、還有重量級熱點(diǎn)5G智能制造。那么5G智能制造是什么概念,5G對于智能制造有什么樣的意義?

制造業(yè)在國家層面乃至整個(gè)人類(lèi)社會(huì )扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色,智能制造已然成為全球化課題和國家級戰略課題,很多國家都在智能制造領(lǐng)域進(jìn)行了規劃和部署,如中國“中國制造2025”、德國“工業(yè)4.0平臺”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)計劃”等。

其中信息通信系統升級是智能制造中很重要的一環(huán),5G在使能智能工廠(chǎng)多樣化需求方面,有著(zhù)絕對的優(yōu)勢。

華為Wireless X Labs通過(guò)典型的智能制造應用場(chǎng)景和Use case,對智能制造對5G網(wǎng)絡(luò )的多樣化需求進(jìn)行研究。X Labs是一個(gè)新的研究平臺,將運營(yíng)商,垂直行業(yè)合作伙伴和行業(yè)領(lǐng)導者聚集在一起,共同探索移動(dòng)應用的未來(lái)用例,推動(dòng)企業(yè)和技術(shù)創(chuàng )新,促進(jìn)開(kāi)放的行業(yè)生態(tài)系統。如下為華為和德電針對5G端到端低時(shí)延網(wǎng)絡(luò )在智能制造領(lǐng)域的聯(lián)合展示。

01、各個(gè)國家都這么重視那么什么是智能制造

廣義上智能制造是具有信息感知獲取、智能判斷決策、自動(dòng)執行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程及系統與模式的總稱(chēng)。具體來(lái)看智能制造體現在制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節與信息技術(shù)的融合,如大數據、云計算、人工智能、物聯(lián)等技術(shù)。

簡(jiǎn)而言之,智能制造具有以下特征:以智能工廠(chǎng)為載體,以關(guān)鍵制造環(huán)節的智能化為核心,以端到端數據流為基礎,以通信網(wǎng)絡(luò )為基礎支撐。通過(guò)自組織的柔性制造系統,實(shí)現高效的個(gè)性化生產(chǎn)的目標。

以汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)為例,智能制造柔性生產(chǎn)過(guò)程中,定制化車(chē)輛通過(guò)云化的智能信息物理系統的調度在動(dòng)態(tài)生產(chǎn)線(xiàn)上自主移動(dòng),完成生產(chǎn)步驟。動(dòng)態(tài)產(chǎn)線(xiàn)可按需組合以滿(mǎn)足不同車(chē)型和配置的需要,實(shí)現車(chē)輛定制化的生產(chǎn),并且產(chǎn)線(xiàn)智能生產(chǎn)將大大縮短定制化周期,同時(shí)也極大減少了汽車(chē)廠(chǎng)商的庫存以及資金占用,降低了生產(chǎn)成本。而傳統順序生產(chǎn)的汽車(chē)產(chǎn)線(xiàn)在靈活度上很難滿(mǎn)足高度定制化的需求,并且定制化生產(chǎn)周期更長(cháng)。

02、智能制造對網(wǎng)絡(luò )有哪些需求

5G在智能制造中有哪些典型應用

智能制造為什么需要無(wú)線(xiàn)通信

了解什么是智能制造后,顯而易見(jiàn)智能制造過(guò)程中云平臺和工廠(chǎng)生產(chǎn)設施的實(shí)時(shí)通信、以及海量傳感器和人工智能平臺的信息交互,和人機界面的高效交互,對通信網(wǎng)絡(luò )有多樣化的需求以及極為苛刻的性能要求,并且需要引入高可靠的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

高可靠無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工廠(chǎng)的應用來(lái)看,一方面,生產(chǎn)制造設備無(wú)線(xiàn)化使得工廠(chǎng)模塊化生產(chǎn)和柔性制造成為可能。另一方面,因為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以使工廠(chǎng)和生產(chǎn)線(xiàn)的建設、改造施工更加便捷,并且通過(guò)無(wú)線(xiàn)化可減少大量的維護工作降低成本。

無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )在智能制造應用面臨哪些挑戰

在智能制造自動(dòng)化控制系統中,低時(shí)延的應用尤為廣泛,比如對環(huán)境敏感高精度的生產(chǎn)制造環(huán)節、化學(xué)危險品生產(chǎn)環(huán)節等。智能制造閉環(huán)控制系統中傳感器(如壓力、溫度等)獲取到的信息需要通過(guò)極低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳遞,最終數據需要傳遞到系統的執行器件(如:機械臂、電子閥門(mén)、加熱器等)完成高精度生產(chǎn)作業(yè)的控制,并且在整個(gè)過(guò)程需要網(wǎng)絡(luò )極高可靠性,來(lái)確保生產(chǎn)過(guò)程的安全高效。

此外,工廠(chǎng)中自動(dòng)化控制系統和傳感系統的工作范圍可以是或者幾百平方公里到幾萬(wàn)平方公里,甚至可能是分布式部署。根據生產(chǎn)場(chǎng)景的不同,制造工廠(chǎng)的生產(chǎn)區域內可能有數以萬(wàn)計傳感器和執行器,需要通信網(wǎng)絡(luò )的海量連接能力作為支撐。

5G網(wǎng)絡(luò )具備的能力

華為在北京懷柔率先完成了由IMT-2020(5G)推進(jìn)組組織的中國5G技術(shù)研發(fā)試驗無(wú)線(xiàn)技術(shù)第二階段測試。在C-Band的測試環(huán)節中,利用200MHz帶寬,通過(guò)5G新空口及大規模多入多出等技術(shù)進(jìn)行測試,小區峰值超過(guò)20Gbps,空口時(shí)延在0.5ms以?xún)?,單小區大于1000萬(wàn)連接。

和傳統的移動(dòng)通信技術(shù)相比,5G將進(jìn)一步提升用戶(hù)體驗:在容量方面,5G通信技術(shù)將比4G實(shí)現單位面積移動(dòng)數據流量增長(cháng)1000倍;在傳輸速率方面,單用戶(hù)典型數據速率提升10到100倍,峰值傳輸速率可達10Gbps(相當于4G網(wǎng)絡(luò )速率的100倍);端到端時(shí)延縮短5倍;在可接入性方面:可聯(lián)網(wǎng)設備的數量增加10到100倍;在可靠性和能耗方面:每比特能源消耗應降至千分之一,低功率電池續航時(shí)間增加10倍。

03、5G典型制造業(yè)應用場(chǎng)景

5G使能工業(yè)AR應用

在未來(lái)智能工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中,人將發(fā)揮更重要的作用。然而由于未來(lái)工廠(chǎng)具有高度的靈活性和多功能性,這將對工廠(chǎng)車(chē)間工作人員有更高的要求。為快速滿(mǎn)足新任務(wù)和生產(chǎn)活動(dòng)的需求,增強現實(shí)AR將發(fā)揮很關(guān)鍵作用,在智能制造過(guò)程中可用于如下場(chǎng)景:如:監控流程和生產(chǎn)流程。生產(chǎn)任務(wù)分步指引,例如手動(dòng)裝配過(guò)程指導;遠程專(zhuān)家業(yè)務(wù)支撐,例如遠程維護。

在這些應用中,輔助AR設施需要最大程度具備靈活性和輕便性,以便維護工作高效開(kāi)展。因此需要將設備信息處理功能上移到云端,AR設備僅僅具備連接和顯示的功能,AR設備和云端通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接。AR設備將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)獲取必要的信息(例如,生產(chǎn)環(huán)境數據、生產(chǎn)設備數據、以及故障處理指導信息)。

在這種場(chǎng)景下AR眼鏡的顯示內容必須與AR設備中攝像頭的運動(dòng)同步,以避免視覺(jué)范圍失步現象。通常從視覺(jué)移動(dòng)到AR圖像反應時(shí)間低于20ms,則會(huì )有較好的同步性,所以要求從攝像頭傳送數據到云端到AR顯示內容的云端回傳需要小于20mms,除去屏幕刷新和云端處理的時(shí)延,則需無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的雙向傳輸時(shí)延在10ms內才能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性體驗的需求。而該時(shí)延要求,LTE網(wǎng)絡(luò )無(wú)法滿(mǎn)足。

5G使能工廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)自動(dòng)化控制

在自動(dòng)化控制中,倒立擺是典型的應用。倒立擺原理用于機器人各種姿態(tài)控制、航空飛船對接控制等姿態(tài)控制等工業(yè)應用。華為X Labs通過(guò)倒立擺驗證5G對極低試驗自動(dòng)控制的價(jià)值,研究表明,當倒立擺運行在4G模式下時(shí),4G的過(guò)高時(shí)延,使得倒立擺的控制指令不能得到快速執行,倒立擺起擺到穩態(tài)的時(shí)間過(guò)長(cháng),達到13.2秒。

當運行在5G模式下時(shí),5G的1ms超低時(shí)延,使倒立擺的控制指令快速執行,起擺到穩態(tài)只用4秒。通過(guò)對比,可以看到5G低時(shí)延網(wǎng)絡(luò )在自動(dòng)控制的巨大價(jià)值,網(wǎng)絡(luò )端到端時(shí)延從4G的50ms減低至5G的1ms。

自動(dòng)化控制是制造工廠(chǎng)中最基礎的應用,核心是閉環(huán)控制系統。在該系統的控制周期內每個(gè)傳感器進(jìn)行連續測量,測量數據傳輸給控制器以設定執行器。典型的閉環(huán)控制過(guò)程周期低至ms級別,所以系統通信的時(shí)延需要達到ms級別甚至更低才能保證控制系統實(shí)現精確控制,同時(shí)對可靠性也有極高的要求。如果在生產(chǎn)過(guò)程中由于時(shí)延過(guò)長(cháng),或者控制信息在數據傳送時(shí)發(fā)生錯誤可能導致生產(chǎn)停機,會(huì )造成巨大的財務(wù)損失。

此外,在規模生產(chǎn)的工廠(chǎng)中,大量生產(chǎn)環(huán)節都用到自動(dòng)控制過(guò)程,所以將有高密度海量的控制器、傳感器、執行器需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接。

閉環(huán)控制系統不同應用中傳感器數量、控制周期的時(shí)延要求、帶寬要求都有差異,典型來(lái)看,周期時(shí)間和通信帶寬大小的一些典型值如下:

5G切片網(wǎng)絡(luò )可提供極低時(shí)延長(cháng)、高可靠,海量連接的網(wǎng)絡(luò ),使得閉環(huán)控制應用通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接成為可能?;谌A為5G的實(shí)測能力:空口時(shí)延可到0.4ms,單小區下行速率達到20Gbps,小區最大可支持1000萬(wàn)+連接數。由此可見(jiàn),移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中僅有5G網(wǎng)絡(luò )可滿(mǎn)足閉環(huán)控制對網(wǎng)絡(luò )的要求。

5G使能工廠(chǎng)云化機器人

 04、云化機器人的通信需求

在智能制造生產(chǎn)場(chǎng)景中,需要機器人有自組織和協(xié)同的能力來(lái)滿(mǎn)足柔性生產(chǎn),這就帶來(lái)了機器人對云化的需求。和傳統的機器人相比,云化機器人需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到云端的控制中心,基于超高計算能力的平臺,并通過(guò)大數據和人工智能對生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)運算控制。

通過(guò)云技術(shù)機器人將大量運算功能和數據存儲功能移到云端,這將大大降低機器人本身的硬件成本和功耗。并且為了滿(mǎn)足柔性制造的需求,機器人需要滿(mǎn)足可自由移動(dòng)的要求。因此在機器人云化的過(guò)程中,需要無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )具備極低時(shí)延和高可靠的特征。

5G網(wǎng)絡(luò )是云化機器人理想的通信網(wǎng)絡(luò ),是使能云化機器人的關(guān)鍵。5G切片網(wǎng)絡(luò )能夠為云化機器人應用提供端到端定制化的網(wǎng)絡(luò )支撐。5G網(wǎng)絡(luò )可以達到低至1ms的端到端通信時(shí)延,并且支持99.999%的連接可靠性,強大的網(wǎng)絡(luò )能力能夠極大滿(mǎn)足云化機器人對時(shí)延和可靠性的挑戰。

華為已與德國與制造企業(yè)開(kāi)展智能制造領(lǐng)域的合作。如與Festo共同合作基于5G切片網(wǎng)絡(luò )的云化機器人的項目,項目通過(guò)5G uRLLC(超高可靠和低時(shí)延通信)切片網(wǎng)絡(luò ),針對云化機器人閉環(huán)控制系統的高可靠性和實(shí)時(shí)性的滿(mǎn)足度進(jìn)行測試。

機器人的軌跡信息和控制數據在制造云中處理有助于系統計算能力的擴展和機器人平臺的節能。機器人生產(chǎn)服務(wù)與制造云的結合意味著(zhù)將工業(yè)機器人的基本功能與高性能的計算系統進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)同,5G切片網(wǎng)絡(luò )使能了這一應用場(chǎng)景。

05、機器人與協(xié)同設施間的通信需求

在智能制造柔性生產(chǎn)中,移動(dòng)機器人是關(guān)鍵的使能者。在生產(chǎn)過(guò)程中要求多移動(dòng)機器人之間的協(xié)同和無(wú)碰撞作業(yè),所以移動(dòng)機器人之間需要實(shí)時(shí)進(jìn)行數據交換滿(mǎn)足該需求。移動(dòng)機器人和外圍設備間也需要進(jìn)行通信。例如,如起重機或其他制造設施。因此移動(dòng)機器人需要和周邊協(xié)同設施機進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交換。

隨著(zhù)智能制造場(chǎng)景的引入,制造對無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的需求已經(jīng)顯現,5G網(wǎng)絡(luò )可為高度模塊化和柔性的生產(chǎn)系統提供多樣化高質(zhì)量的通信保障。和傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相比,5G網(wǎng)絡(luò )在低時(shí)延、工廠(chǎng)應用的高密度海量連接、可靠性、以及網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)性管理等方面優(yōu)勢凸顯,是智能制造的關(guān)鍵使能者。

 

文章來(lái)源:信息化和軟件服務(wù)網(wǎng)




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